[发明专利]一种三维自支撑的高比能钴酸钒锂负极材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种三维自支撑的高比能钴酸钒锂负极材料及其制备方法，其特征在于，以LiCl、VCl₃和CoCl₂作为原料供体，采用一步水热法，在三维导电骨架上构建Li_2xV_1‑xCo₂O₄纳米片阵列。本发明具有如下技术效果：1、本发明首次在三维多孔导电骨架上构建三维Li_2xV_1‑xCo₂O₄纳米片阵列，同时应用在锂离子电池负极中，比能量高，循环性能好。2、通过水热法一步构建三维Li_2xV_1‑xCo₂O₄纳米片阵列，工艺简单，可通过调节物质配比、水热温度和时间等，能够有效调控纳米片阵列尺寸，可控性强。

技术领域

本发明属于无机功能材料制备技术领域，具体涉及一种三维自支撑的高比能钴酸钒锂负极材料的制备方法。

背景技术

锂离子电池由于能量密度高，循环寿命长，在现代社会中，已经成为一种不可或缺的能量存储装置，在太阳能路灯储能、风能及太阳能发电储能、动力汽车、电子产品以及电动工具等领域具有广泛的应用，市场前景非常广阔。

然而，随着消费电子产品和电动汽车的发展，目前的锂离子电池无法满足日益增长的需求。新型电极结构设计以及高容量电极材料的合成对于增加电池电极的充电存储能力及其重要，现有开发的高容量材料，如硅、锡、过渡金属氧化物等，在电池循环过程中都会产生体积变化导致性能衰退的严重问题，为了减轻循环过程中体积变化所带来的不利影响，通常采用三维骨架来稳定电极材料。

在传统的锂离子电池负极中，铜箔被广泛应用于由活性物质、粘结剂和导电剂组成的复合层，这种层压结构在插层材料中获得了巨大的成功，因为插层材料在电池循环过程中体积变化通常很小，但是，铜箔不提供容量，而且层压结构无法保证高容量电极的稳定性，泡沫金属、碳纳米管、金属化的反蛋白石结构通常用来取代铜箔作为三维多孔电极来使用，活性材料负载在三维骨架上，改善电池循环过程中的电极稳定性。

高性能的锂离子电池负极需要在电极结构和材料上同时进行改进。近些年来，由于具有较高的理论比容量，钒酸钴作为锂离子电池负极材料受到了广泛的关注。Kim及其合作者报导了一种Co₃V₂O₈的海绵网络状负极，在循环700个周期后依然能够放出501 mAh g^-1的比容量（V. Soundharrajan, B. Sambandam, J. Song, S. Kim, J. Jo, S. Kim, S.Lee, V. Mathew, J. Kim, ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 8546.）。Mai及其合作者（Y. Luo, X. Xu, Y. Zhang, C.-Y. Chen, L. Zhou, M. Yan, Q. Wei, X. Tian,L. Mai, ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 2812.）使用氧化石墨烯作为模板来分散Co₂V₂O₇纳米片结构，该材料显示在5 A g^-1的电流密度下，循环1000个周期后依然保持了400 mAh g^-1的比容量。与上述合成材料相比，在本发明中，我们合成了一种新型的锂离子电池负极材料Li_2xV_1-xCo₂O₄，并将其与三维多孔导电骨架结合在一起，构建了一种三维自支撑的高比能钴酸钒锂负极材料。

发明内容